【STM32】STM32标准库与HAL库对照学习教程特别篇--系统时钟RCC详讲

  • 一、前言
  • 二、时钟是什么
  • 三、时钟树
  • 1.时钟树图
  • 2.时钟树讲解
  • 左边部分
  • 中间部分
  • 右边部分
  • 特殊部分
  • 四、初始化系统时钟配置流程
  • 五、系统时钟程序实现
  • 六、HAL库中使用cubemx配置时钟树


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一、前言

本篇讲解是对STM32系统时钟的细讲，其中包含自己对STM32系统时钟的认识，写的不对的地方希望多多包含并在评论区指出。对于STM32的初学者，推荐看完时钟树左中右三部分后，直接开始后面的学习，在学完STM32或者要用到配置系统时钟时，再来看后面部分，因为在后面的学习中，标准库用默认的配置，HAL库使用cubemx基本上直接配置最大频率，每个外设有自己的时钟打开函数。

二、时钟是什么

通俗的讲，时钟类似于人的心脏，需要不停的振动来维持STM32芯片各个部分的工作，执行相应的指令，因此时钟是单片机运行的基础。

三、时钟树

有振动，就有振动频率，对于STM32芯片来说，其自身结构十分复杂，外设相当多，不同外设需要的振动频率也不同，但STM32的时钟源（振动源）只有几个，怎么办呢？这就需要将时钟源的振动频率转化为我们需要使用外设的频率，因此就有了STM32的时钟树（时钟系统）。

外设的时钟默认是关闭的，所以这就是为什么每次写一个外设的初始化函数，都要先将对应外设的时钟打开。

1.时钟树图

stm32cubeMX标准库生成_c语言

2.时钟树讲解

左边部分

左边部分是STM32的4个独立时钟源：HSI、HSE、LSI、LSE。

  • HSI是高速内部时钟，RC振荡器，频率为8MHz，精度不高。
  • HSE是高速外部时钟，可接石英/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为4MHz~16MHz。
  • LSI是低速内部时钟，RC振荡器，频率为40kHz，提供低功耗时钟。
  • LSE是低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体。

备注：LSI是作为IWDGCLK(独立看门狗)时钟源和RTC时钟源 而独立使用

中间部分

中间部分是由PLLMUL（锁相环）、PLLXTPRE分频器、选择开关SW组成。

  • PLLMUL（锁相环），可以对输入的频率进行倍频处理，倍频倍数范围是2~16倍，输入的来源可以是HSl/2、HSE、HSE/2，最大倍频输出频率为72MHz。
  • PLLXTPRE分频器，可选择是否将外部晶振HSE进行分频处理。
  • 选择开关SW，选择最终的频率作为整个单片机运行的时钟（SYSCLK），来源选择可以是HSI振荡器时钟、HSE振荡器时钟、PLLMUL。

右边部分

通过选择开关SW的系统时钟频率（SYSCLK） 通过 AHB预分频器将振动频率提供给右边的各个外设时钟。
AHB预分频器的分频可选择1、2、4、8、16、64、128、256、512分频。
右边的外设模块有内核总线、Tick定时器、I2S总线、APB1外设、APB2外设。

  • 内核总线：将系统时钟频率送给AHB总线、内核、内存和DMA使用的HCLK时钟。
  • Tick定时器：将系统时钟频率通过8分频后送给Cortex的系统定时器时钟。
  • IS2总线：将系统时钟频率直接送给Cortex的空闲运行时钟FCLK。
  • APB1总线：将系统时钟频率通过APB1分频器送给APB1上的外设使用。分频范围可选择1、2、4、8、16分频。分频后输出有两路，一路输出供APB1外设使用(PCLK1，最大频率36MHz)，另一路送给通用定时器2-7使用。

注意：如果 APB 预分频器分频系数是 1，则定时器时钟频率 (TIMxCLK) 为 PCLKx。否则，定时器时钟频率将为 APB 域的频率的两倍：TIMxCLK = 2xPCLKx。

  • APB2总线：将系统时钟频率通过APB2分频器送给APB2上的外设使用。分频范围可选择1、2、4、8、16分频。分频后输出有三路，一路供APB2外设使用(PCLK2，最大频率72MHz)，另一路送给高级定时器1、8使用，还有一路输出供ADC分频器使用，分频后送给ADC模块使用。ADC分频器可选择为2、4、6、8分频。
    STM32F1系列两总线的外设有：

特殊部分

（1）USB时钟

stm32cubeMX标准库生成_stm32_02


STM32中有一个全速功能的USB模块，其串行接口引擎需要一个频率为48MHz的时钟源。

这个时钟源只能从PLL输出端唯一获取，可以选择为1.5分频或1分频，在使用USB模块时，PLL必须使能，并且时钟频率配置为48MHz或72MHz。（2） 将时钟的信号输出到外部

stm32cubeMX标准库生成_stm32cubeMX标准库生成_03


STM32可以选择一个时钟信号输出到MCO脚(PA8)上，可以选择为PLLCLK2分频、HSI、HSE、系统时钟（SYSCLK）。（3）时钟监视系统（CSS）

stm32cubeMX标准库生成_c语言_04


时钟监视系统（CSS），用于监视HSE（高速外部时钟）的工作状态。若HSE失效，会自动切换HSI（高速内部时钟）作为系统时钟的输入，保证系统的正常运行。

四、初始化系统时钟配置流程

经过上面部分的讲解，系统时钟配置流程大概为：选择时钟源（大部分时候都选择内部RC振荡器(HSI)或外部晶振(HSE)）——>配置分频或倍频使系统时钟为72MHz——>配置需要开启的外设时钟。

例如：选择外部晶振(HSE)作为时钟源，其提供的频率与电路板上的晶振的相关，一般为8MHz，通过PLLXTPRE分频器后，进入PLLSRC选择开关，在通过PLLMUL锁相环进行倍频（x9）后，计算下来为系统提供72MHz的系统时钟（SYSCLK），之后是AHB预分频器对系统时钟信号进行分频，然后为五大总线的外设提供时钟。
关于RCC的相关寄存器

以STM32F1系列为例，RCC寄存器有：

typedef struct
{
  __IO uint32_t CR;        //HSI,HSE,CSS,PLL等的使能
  __IO uint32_t CFGR;      //PLL等的时钟源选择以及分频系数设定
  __IO uint32_t CIR;       // 清除/使能时钟就绪中断
  __IO uint32_t APB2RSTR;  //APB2线上外设复位寄存器
  __IO uint32_t APB1RSTR;  //APB1线上外设复位寄存器 
  __IO uint32_t AHBENR;    //DMA，SDIO等时钟使能
  __IO uint32_t APB2ENR;   //APB2线上外设时钟使能
  __IO uint32_t APB1ENR;   //APB1线上外设时钟使能
  __IO uint32_t BDCR;      //备份域控制寄存器
  __IO uint32_t CSR;

#ifdef STM32F10X_CL  
  __IO uint32_t AHBRSTR;
  __IO uint32_t CFGR2;
#endif /* STM32F10X_CL */ 

#if defined (STM32F10X_LD_VL) || defined (STM32F10X_MD_VL) || defined (STM32F10X_HD_VL)   
  uint32_t RESERVED0;
  __IO uint32_t CFGR2;
#endif /* STM32F10X_LD_VL || STM32F10X_MD_VL || STM32F10X_HD_VL */ 
} RCC_TypeDef;

RCC寄存器结构在文件“stm32f10x.h”大概在1076行-1098行

寄存器的相关配置函数有：

（1）时钟使能配置函数：
RCC_HSICmd
RCC_LSICmd
RCC_PLLCmd
RCC_RTCCLKCmd
RCC_AHBPeriphClockCmd
RCC_APBxPeriphClockCmd

（2）时钟源和分频因子相关配置函数：
RCC_HSEConfig
RCC_LSEConfig
RCC_PLLConfig
RCC_MCOConfig
RCC_SYSCLKConfig
RCC_HCLKConfig
RCC_PCLK1Config
RCC_PCLK2Config
RCC_RTCCLKConfig
RCC_ADCCLKConfig
RCC_USBCLKConfig

（3）外设复位函数：
RCC_APB1PeriphResetCmd
RCC_APB2PeriphResetCmd

（4）状态参数获取函数：
RCC_GetSYSCLKSource
RCC_GetClocksFreq
RCC_GetFlagStatus
RCC_ClearFlag

（5）RCC中断相关函数：
RCC_ITConfig
RCC_ClearITPendingBit
RCC_GetITStatus

五、系统时钟程序实现

因此根据上面的总结，RCC的初始化流程为：
使用HSE时钟，程序设置时钟参数流程：
（1）将RCC寄存器重新设置为默认值 RCC_DeInit;
（2）打开外部高速时钟晶振HSE RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
（3）等待外部高速时钟晶振工作 HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();
（4）设置AHB时钟 RCC_HCLKConfig;
（5）设置高速AHB时钟 RCC_PCLK2Config;
（6）设置低速速AHB时钟 RCC_PCLK1Config;
（7）设置PLL RCC_PLLConfig;
（8）打开PLL RCC_PLLCmd(ENABLE);
（9）等待PLL工作 while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET)
（10）设置系统时钟 RCC_SYSCLKConfig;
（11）判断是否PLL是系统时钟 while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08)
（12）打开要使用的外设时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd()/RCC_APB1PeriphClockCmd()
因此程序为：

void RCC_HSE_Config(u32 div,u32 pllm) //自定义系统时间（可以修改时钟）
{
	RCC_DeInit(); //将外设RCC寄存器重设为缺省值
	RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);//设置外部高速晶振（HSE）
	if(RCC_WaitForHSEStartUp()==SUCCESS) //等待HSE起振
	{
		RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);//设置AHB时钟（HCLK）
		RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);//设置低速AHB时钟（PCLK1）
		RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);//设置高速AHB时钟（PCLK2）
		RCC_PLLConfig(div,pllm);//设置PLL时钟源及倍频系数
		RCC_PLLCmd(ENABLE); //使能或者失能PLL
		while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY)==RESET);//检查指定的RCC标志位设置与否,PLL就绪
		RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);//设置系统时钟（SYSCLK）
		while(RCC_GetSYSCLKSource()!=0x08);//返回用作系统时钟的时钟源,0x08：PLL作为系统时钟
		//RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);	//使能APB2外设的GPIOA的时钟
	}
}

六、HAL库中使用cubemx配置时钟树

使用cubemx配置时钟树，将系统时钟的配置简易化。

附图

stm32cubeMX标准库生成_系统时钟_05


可以看到cubemx配置系统时钟的界面和STM32中文手册中的时钟树很像，我们只需要在选择对应的开关和倍频就可以完成系统时钟的配置。

到这里系统时钟RCC寄存器的讲解就结束啦！想加深对时钟树的映像，建议多使用、多看一下cubemx的时钟树配置。

stm32cubeMX标准库生成_c语言_06